A tér és az idő kristállyá fagyhat, és a legfélelmetesebb dolog születhet belőle!

A modern fizika téridővel kapcsolatos furcsaságai most egy egészen új, megdöbbentő szintet értek el. Bécsi és frankfurti kutatók nemrégiben ...

A modern fizika téridővel kapcsolatos furcsaságai most egy egészen új, megdöbbentő szintet értek el. Bécsi és frankfurti kutatók nemrégiben feltárták, hogy maga a tér és az idő képes olyan különleges struktúrákká rendeződni, amelyekből aztán apró, mikroszkopikus fekete lyukak születhetnek.

A Goethe Egyetem és a Bécsi Műszaki Egyetem (TU Wien) munkatársai egy olyan zseniális matematikai formulát alkottak meg, amely precízen leírja ezt a bizarr jelenséget. A felfedezés szerint a téridő képes egyfajta kristályszerkezetbe szervezni önmagát, ami a fizikusok által csak "kritikus összeomlásnak" nevezett folyamat eredménye.

A rangos Physical Review Letters folyóiratban megjelent tanulmány alapjaiban változtathatja meg azt, ahogyan a kozmosz legrejtélyesebb objektumaira tekintünk. (1)

Amikor fekete lyukakról hallunk, a legtöbbünk lelki szemei előtt hatalmas, mindent elnyelő szörnyetegek jelennek meg, amelyek gigantikus csillagok halálakor, a végtelen gravitáció összeomlása során keletkeznek. A fizika elméletei szerint azonban léteznek egészen másfajta, szinte láthatatlan fekete lyukak is. Ezek a parányi, úgynevezett primordiális – vagyis ősi – fekete lyukak nem csillagokból születnek, hanem rendkívül apró, kritikus állapotokból, ahol a legminimálisabb energiamennyiség is elegendő a létrejöttükhöz.

A tudósok feltételezik, hogy az univerzum születése, az ősrobbanás utáni első pillanatokban, amikor a még alakuló kozmoszt a részecskék kaotikus és sűrű keveréke töltötte be, a körülmények tökéletesek voltak az ilyen bébi fekete lyukak tömeges kialakulásához. Bár a számítógépes szimulációk már korábban is utaltak a létezésükre, a most kidolgozott matematikai képlet végre szilárd elméleti alapot ad a kutatóknak.

De hogyan képes a tér és az idő kristályszerkezetbe rendeződni? Daniel Grumiller, a TU Wien professzora egy mindennapi, mégis szemléletes példával magyarázza a jelenséget. Gondoljunk a pontosan nulla Celsius-fokos folyékony vízre. Ebben az állapotban egy egészen minimális változás, egy apró rezdülés is elég ahhoz, hogy a víz megfagyjon. Amikor ez megtörténik, a vízmolekulák spontán módon egy szabályos, ismétlődő mintázatba rendeződnek, és létrehozzák a jégkristályt.

Albert Einstein általános relativitáselmélete óta tudjuk, hogy a gravitáció nem más, mint a téridő görbülete. A kutatók rájöttek, hogy a fagyáshoz kísértetiesen hasonló önszerveződési folyamat a térrel és az idővel is végbemehet, csak éppen a gravitáció törvényei szerint.

Christian Ecker, a frankfurti Goethe Egyetem Elméleti Fizikai Intézetének munkatársa rámutat, hogy a téridő torzulása egyenesen arányos az objektumok tömegével. A hatalmas égitestek, mint például a csillagok vagy a galaxisok, olyan drasztikusan hajlítják meg a téridőt, hogy azt a mellettük elhaladó fénysugarak elhajlásából mi magunk is megfigyelhetjük.

Ugyanakkor a kisebb tömegek is létrehoznak téridő-görbületet, csak sokkal kisebb mértékben. Amikor a részecskék és az energia eloszlása elér egy bizonyos kritikus pontot, a téridő görbülete miatt önmaguktól ismétlődő mintázatok kezdenek kirajzolódni. A tér és az idő ekkor egy szabályos, periodikus struktúrává, úgynevezett "téridő-kristállyá" szerveződik.

Grumiller professzor szerint ez a különös téridő-kristály egy rendkívül instabil, átmeneti állapotot képvisel. Olyan ez, mint egy finoman egyensúlyozó tűhegy, amely két teljesen különböző irányba is eldőlhet. Külső hatás hiányában a formáció egyszerűen feloszlik, elenyészik, és magára hagyja a hétköznapi, szabadon mozgó részecskékkel teli teret.

Ha azonban ebben a törékeny pillanatban egy egészen elhanyagolható, parányi energialöket éri a rendszert, az evolúciója drámai fordulatot vesz. Az addig ártalmatlan és észrevehetetlen téridő-kristály hirtelen magába roskad, és egy apró fekete lyukká alakul át.

Az ilyen és ehhez hasonló extrém gravitációs folyamatok leírása és pontos képletekbe öntése évtizedek óta megoldhatatlan feladat elé állította a világ legkiválóbb elméleti fizikusait. A bonyolult differenciálegyenletek gyakran átláthatatlan káoszba torkolltak. Christian Ecker és csapata azonban egy zseniális matematikai trükkel áttörte ezt a falat.

Abból a tényből indultak ki, hogy a mi jól ismert univerzumunk négydimenziós: három tér- és egy idődimenzióból áll. Elméletben viszont a fizikusok számára semmi sem tiltja meg, hogy az egyenleteket sokkal több dimenzióra írják fel. Megnövelték hát a dimenziók számát ötre, negyvenkettőre, majd végül elméletben a végtelenre.

Bár elsőre azt gondolnánk, hogy a dimenziók számának növelése csak tovább bonyolítja a helyzetet, a kutatócsoport megmutatta, hogy a matematika világában néha a fordítottja igaz. A végtelen számú dimenzió feltételezésével a korábban megoldhatatlannak tűnő, kaotikus problémák hirtelen leegyszerűsödtek, és tiszta, átlátható eredményeket adtak.

Ezt követően a fizikusok egyfajta elméleti gyorsítósávot, parancsikont használtak: a sokdimenziós térben kapott egyszerű képleteket szisztematikusan elkezdték visszavezetni és leképezni a mi kézzelfogható, négydimenziós világunkra.

Florian Ecker, a TU Wien kutatója kiemelte, hogy az új eljárásuk bámulatosan stabilnak bizonyult. A módszer rugalmassága révén, a kívánt precizitástól függően, további közelítő számításokkal folyamatosan finomítani tudják a formulákat. Ez a matematikai áttörés egy teljesen új eszköztárat ad a tudomány kezébe, amellyel olyan fekete lyukakkal kapcsolatos jelenségeket is képesek analitikusan vizsgálni, amelyek elemzése korábban a fizika törvényei miatt teljességgel kivitelezhetetlen volt.

A kutatók bíznak benne, hogy a téridő-kristályok és a belőlük születő mikroszkopikus fekete lyukak megértése közelebb visz minket az univerzumunk legkorábbi, titokzatos korszakának megismeréséhez, és talán végre hidat ver a kvantummechanika és Einstein relativitáselmélete közé. (2)

(1) - https://journals.aps.org/prl/abstract/10
(2) - https://thedebrief.org/scientists-reveal